- 论文名称：千瓦级高反光纤光栅腔内光纤温度效应研究
- 论文研究的目的、意义
高功率光纤激光器在光电转换效率、光束质量、散热特性、体积大小以及使用和维护等方面都有着突出的优势,而且能胜任各种恶劣的工作环境。目前高功率光纤激光器已经成为世界上众多国家研究的热点之一。其中全光纤激光器由于具有结构紧凑、固有的全封闭柔性光路、光路具有免维护等特性而在许多方面得到了广泛应用。全光纤激光器的关键器件是光纤光栅。光纤激光器的谐振腔是利用光纤光栅的反射特性实现的谐振腔，在激光器中起着滤波、反馈和放大的作用。与传统的采用二向色镜和光纤端面菲涅耳反射镜作为谐振腔的光纤激光器相比，光纤光栅激光器结构稳定性更好，输出功率更高，输出激光波长更稳定，输出带宽更窄。光纤光栅在大功率光纤激光器中的运用使得光纤激光器的结构更加简单化,整体化。
目前报道的作为高功率激光器谐振腔的布拉格光纤光栅主要是在大模场面积双包层光纤上制成。光栅的制作主要采用相位掩模法和双光束干涉法，与普通单模光纤布拉格光栅的制备相比,双包层光纤光栅的制备技术基本相同。在制作光纤布拉格光栅的过程中，首先需要对光纤进行载氢增敏的预处理，然后利用化学试剂彻底去除光纤的涂覆层。完成光栅的刻写后，对光栅进行退火处理并利用低折射率聚合物对光栅进行重新涂覆保护。但实验发现，当高功率激光通过光纤光栅时，在光栅靠近谐振腔的这一段光纤会出现温度过高的现象。由于光纤的涂覆层燃点较低，过高的温度可能导致光栅熔断而造成激光器严重损毁，因此如何有效降低该段光纤的温度系数成为高功率光纤激光器研究领域的一个重要问题。目前通过理论分析得到了两个可能引起这种现象的原因，一是退火过程不够彻底，光栅中残留的羟基离子吸收激光能量，致使光纤温度升高；二是刻写完成后，在对光栅进行涂覆时，接口处新的涂覆层不能和旧涂覆层完全贴合形成空气间隙，从而破坏了包层与涂覆层之间的全反射性，当激光通过此处时会有光通过空气间隙漏出进入涂覆层，从而引起光纤温度升高。因此本课题基于该问题，对可能引起光栅腔内段温度系数过高的因素进行理论分析，并建立数学模型进行实验研究，最后得出结论，最终提出可行的解决方案。
- 国内外研究现状
第一台光纤激光器在20世纪中期面世，之后在相当长的一段时间内光纤激光器的研究一直没有实质性的突破，直到双包层结构光纤概念的提出才使泵浦耦合效率得到大幅度提升，相关的研究工作才有了突破性的进展，使光纤激光器进入到了一个快速发展的黄金时期，激光功率的输出记录被不断的刷新[3]。1994年H.M.Pask用975nm波长的泵浦源，采用双包层结构的镱掺杂光纤获得了1040nm波长，0.5W的激光输出，斜率效率达到了80％。1997年美国宝丽来公司采用双包层结构的镱掺杂光纤，得到35.5W，1100nm单模连续输出。1999年SDL公司利用掺镱双包层结构的光纤成功获得了斜率效率为58％，功率110W的单模连续激光输出。2000年IPG公司采用侧向光纤耦合的方法成功研制出来一台全光纤结构的光纤激光器，激光器输出的功率可以达到百瓦量级[4]。2002年，我国南开大学利用闪耀光栅构成可调谐Littrow外腔，对掺镱双包层光纤激光器的波长调谐输出进行了实验研究。在掺Yb3 双包层光纤激光器中得到了脉宽为4.8ns的自调Q脉冲输出，在混合调Q双包层光纤激光器中得到峰值功率大于8KW，脉宽小于2ns的脉冲输出[5]；2003年SPI公司报道了一台输出功率为610W的镱掺杂光纤激光器，该光纤激光器可以实现单模运转的激光输出。同年11月20日，我国上海光机所报道，上海科学家在激光领域取得新成果，成功开发出输出功率高达107W的光纤激光器，此激光器的全称为高功率掺镱双包层光纤激光器；2004年12月3日，我国烽火通信报道，继推出激光功率达100W以上的完全可商用的双包层掺镱光纤产品后，经过艰苦的攻关再创佳绩，将该类新型光纤的输出功率提高至440W，达到国际领先水平[6]。2005年IPG公司推出了一台全新的光纤激光器，该台光纤激光器可以实现2kW单模运转的激光输出。2006年IPG研发的光纤激光器成功地突破了3kW的激光输出，2009年又实现了5kW单模激光输出。2010年HE等人采用双端泵浦的方法，利用具有特殊结构的双包层光纤，获得了1090nm波长l.75kW连续激光输出,效率为76%。2013年商用光纤激光器的领军者IPG公司采用激光合束的方式实现了镱离子掺杂光纤激光器的100KW的多模激光输出[7]。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件。1978年，K.O.Hill发现了光纤的光敏性，从而导致了一种所谓光纤布拉格光栅的新型光纤内纤型无源器件的出现。1999年,Kurkov等人用氩离子激光器作光源,采用全息干涉法在标准Flexcore-1060光纤上刻写出反射率达99%的FBG,谐振波长1067nm,3dB带宽0.2nm。将其与掺镱双包层光纤熔接,利用该光栅与双包层光纤端面构成全光纤化光纤激光器的谐振腔,实现了输出功率3.1W,斜效率83%的激光输出。2000年,他们将FBG直接刻写在掺镱双包层光纤上构成光纤激光器,泵浦功率为10.5W时最大输出功率7.5W。2004年,他们又用244nm的紫外光源,采用全息干涉法在载氢的梯度折射率多模光纤上刻写出透射谱深度9dB的FBG,并与掺镱双包层光纤熔接作为光纤激光器的全反镜,利用双包层光纤另一端面作输出镜,实现了多模激光输出,激光运转的光谱范围在1.03～1.09mu;m,斜效率为55%～ 85%[8]。2004年,Seungin Baek等人发现将FBG刻写在双包层光纤的内包层上可以反射光纤激光器中的泵浦光,使泵浦光双程通过增益光纤,内包层FBG对泵浦光的有效反射率达46.4%,从而使光纤激光器的斜效率提高8.5%。这种结构增加了激光器对泵浦功率的吸收,从而提高了输出功率。2005年,Torres-Gomez等人报道了基于微弯损耗反射腔控制的全光纤化可调谐多波长掺镱双包层光纤激光器。将三个高反射率(gt; 99%),波长分别为1064nm、1080nm、1096nm的FBG串接构成可变反射镜,实现输出波长的调谐,斜效率达50%[9]。2004年,Mihailov等人使用800nm的钛宝石飞秒激光器作光源,采用相位掩模法在未经载氢的标准掺锗通信光纤(SMF -28)纤芯及掺氟包层、纯石英纤芯单模光纤上刻写出高质量的FBG,折射率调制量为1.9times;10-3,光纤光栅在温度达950℃时仍显示出高稳定性。Wikszak等人使用800nm的钛宝石飞秒激光器作光源,采用点点写入法刻写出FBG,折射率调制量为1. 4times; 10-3,光栅周期2.1mu;m,长度2. 1mm,反射率9.2%。同年,Martinez也采用同样方法刻写出FBG,该法无需相位模板和光敏光纤,并且与Wikszak的工作相比刻写时间更短。此外,Nikogosyan等人首次报道了用高亮度(31～86GW/cm2),264nm的紫外飞秒脉冲刻写FBG,在SMF-28光纤上诱导的折射率调制量达2times;10-3[10]。国内中科院长春光机所的潘玉寨等人2004年报道了,利用反射率达99%的光纤光栅与掺镱双包层光纤熔接构成谐振腔的高功率光纤激光器,获得了10.8W的单横模输出,输出波长1100.5nm,斜效率59%。2005年,南开大学的李丽君等人用248nm的KrF激光器作光源,利用相位掩模法直接在掺镱双包层光纤纤芯上刻写出FBG用作输出镜,在1058nm附近得到稳定的窄线宽激光输出,最大输出功率570mW[11]。
通过对中外高功率光纤激光器和光纤光栅的研究现状分析可知，目前国外在光纤激光器领域的研究处于领先地位，攻克了诸多关键技术难题并取得了突破性进展。我国在光纤激光器领域起步晚于国外发达国家，虽然目前千瓦级的光纤激光器已经实现商品化生产，并且通过激光合束技术实现了万瓦级激光输出，但受高质量光纤光栅研制能力的限制，光纤激光器的稳定性难以得到保障。因此如何提高光纤光栅性能，从而提高光纤激光器的性能成为我国目前光纤激光器研究领域的主要内容。
- 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）
高功率光纤光栅腔内光纤温度系数过高一直是影响光纤激光器稳定工作的重要因素之一。本课题针对这一问题进行研究，首先通过理论分析影响高反光纤光栅腔内温度系数的因素及影响规律，其次利用实验验证理论分析模型的正确性，最终得到控制高反光纤光栅腔内光纤温度的合理方案。
1、研究并掌握光纤激光器及光纤光栅的原理
2、通过理论分析及实验研究得到高反光纤光栅腔内光纤温度系数的影响因素及规律
3、设计出控制高反光纤光栅腔内光纤温度的合理方案
